周向MEFP成型規(guī)律數(shù)值分析*

梁振剛，蔣建偉

(1 北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081;2 沈陽(yáng)理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

0 引言

周向MEFP(multiple explosively formed projectile)戰(zhàn)斗部爆炸后同時(shí)形成多個(gè)EFP彈丸，實(shí)現(xiàn)了EFP單點(diǎn)毀傷向多點(diǎn)毀傷的飛躍，可用于應(yīng)對(duì)高空目標(biāo)及輕型裝甲目標(biāo)。

目前國(guó)內(nèi)對(duì) MEFP 的研究很多［1－3］，但對(duì)周向MEFP成型的研究較少。Richard Fong等設(shè)計(jì)了新型的周向聚焦MEFP戰(zhàn)斗部，可根據(jù)目標(biāo)的不同，設(shè)計(jì)不同的裝藥結(jié)構(gòu)，形成不同速度和形狀的MEFP［4］;張利等設(shè)計(jì)了一種新型多枚爆炸成型彈丸戰(zhàn)斗部，為小口徑MEFP戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)提供了參考［5］。文中設(shè)計(jì)了周向MEFP戰(zhàn)斗部的仿真模型，仿真分析了在不同藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)和戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)參數(shù)下EFP成型的特點(diǎn)，總結(jié)了藥型罩參數(shù)和戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)周向MEFP成型規(guī)律的影響。

1 周向MEFP戰(zhàn)斗部及數(shù)值模擬

1.1 周向MEFP戰(zhàn)斗部模型及材料參數(shù)的選取

1)周向MEFP戰(zhàn)斗部模型建立

本周向MEFP戰(zhàn)斗部是外表面為棱柱形殼體并分層均勻排列若干個(gè)藥型罩，共設(shè)置了m×n個(gè)藥型罩，其中m為戰(zhàn)斗部軸向藥型罩分層層數(shù)，n為每層藥型罩周向分布數(shù)量。文中選用球缺型、等罩厚藥型罩進(jìn)行研究，整個(gè)戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2)主要材料的選取

周向 MEFP選取 B炸藥或 OCTOL炸藥，采用JWL狀態(tài)方程，材料參數(shù)如表1。藥型罩的材料選用銅，殼體選用鋼4340，兩個(gè)材料均選用Linear狀態(tài)方程和Johnson-Cook強(qiáng)度模型。

圖1 周向MEFP結(jié)構(gòu)圖

表1 炸藥參數(shù)

1.2 仿真模型的建立

圖2 全模型的1/32仿真模型

使用顯式動(dòng)力學(xué)分析軟件AUTODYN-3D建立的模型，其中內(nèi)部裝藥、端蓋和藥型罩均采用流固耦合的算法來滿足爆炸成型過程中大變形的要求。為了獲得較好的EFP成型速度與形狀，文中選用沿軸向中心線起爆方式［6］。周向MEFP模型較大，根據(jù)周向MEFP裝藥結(jié)構(gòu)上下對(duì)稱的原則，可將全模型分成1/2模型，再根據(jù)藥型罩沿周向呈均勻分布的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了全模型的1/(4×8)仿真模型(見圖2)，該裝藥側(cè)端面施加了位移約束。同時(shí)為了進(jìn)一步降低計(jì)算量，提高計(jì)算速度，在不考慮上下端面對(duì)罩的稀疏波影響的前提下，根據(jù)各層EFP成型速度和形狀接近的規(guī)律及裝藥結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，選用單個(gè)藥型罩裝藥仿真模型代替多層藥型罩仿真模型的方法，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)化后的藥型罩仿真模型，并在裝藥側(cè)端面和上下端面均施加了位移約束(見圖3)。為了檢驗(yàn)簡(jiǎn)化后的仿真模型成型效果，同時(shí)數(shù)值模擬了上述兩種仿真模型的成型過程，模擬方案為:中心線起爆，炸藥選用B炸藥，裝藥外接圓柱直徑92 mm，殼體厚度3 mm，藥型罩軸向間距3 mm，藥型罩分為10層，每層周向分布8個(gè)罩，藥型罩口徑32 mm，藥型罩曲率半徑44 mm，藥型罩厚度3 mm。

圖3 簡(jiǎn)化后的藥型罩仿真模型

1.3 仿真計(jì)算結(jié)果

兩種仿真模型的成型圖如圖4、圖5所示。

圖4 全模型的1/32仿真模型成型圖

圖5 簡(jiǎn)化后的EFP成型圖

從圖4可看出，中心線起爆過程中，炸藥的爆轟波的傳播比較均衡，藥型罩沿中心軸線向外飛散同時(shí)會(huì)受到徑向擠壓和軸向拉伸，形成密實(shí)的壓垮式EFP［7］。從圖4和圖5可見，兩種仿真模型的成型形狀基本相同。

以靠近上下對(duì)稱面的藥型罩為1號(hào)，依次向上為2、3、4、5 號(hào)罩，各罩成型速度見表2。

表2 各層EFP成型速度統(tǒng)計(jì)

簡(jiǎn)化仿真模型的EFP成型速度是1 970.1 m/s，由表2比較可知，1/32全模型的EFP成型速度與簡(jiǎn)化模型的成型速度接近。仿真結(jié)果說明，簡(jiǎn)化后的藥型罩仿真模型的成型速度、周向MEFP形狀與全模型的接近，所以在不考慮上下端蓋對(duì)藥型罩的稀疏波影響時(shí)，可以用簡(jiǎn)化后的藥型罩仿真模型代替全模型進(jìn)行周向MEFP成型規(guī)律的仿真研究。

2 藥型罩參數(shù)對(duì)周向MEFP成型影響

藥型罩各項(xiàng)參數(shù)中直接影響EFP成型性能的重要因素有藥型罩的罩口徑、曲率半徑、藥型罩的厚度，所以在研究周向MEFP成型規(guī)律時(shí)，研究這三個(gè)參數(shù)對(duì)MEFP成型影響是很必要的。本研究中選取簡(jiǎn)化后的單個(gè)藥型罩仿真模型進(jìn)行計(jì)算，周向MEFP戰(zhàn)斗部的殼體厚度C是3 mm，炸藥選用B炸藥，裝藥外接圓柱直徑D為92 mm，藥型罩軸向間距為3 mm，周向分布藥型罩?jǐn)?shù)量為8個(gè)，罩口徑為d，EFP成型速度為V，長(zhǎng)徑比為E，罩厚度為h，罩曲率半徑為r。

2.1 罩口徑與裝藥外接圓柱直徑比值對(duì)周向MEFP成型影響

在研究罩口徑d與裝藥外接圓柱直徑D比值對(duì)周向MEFP成型影響時(shí)，藥型罩的厚度設(shè)為3 mm，曲率半徑為40 mm，藥型罩的罩口徑與裝藥外接圓柱直徑比值分別選取 0.3、0.312、0.325、0.337 和 0.35，周向MEFP的成型速度V及長(zhǎng)徑比隨d/D變化曲線結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 EFP成型速度隨d/D比值變化曲線

圖7 EFP長(zhǎng)徑比隨d/D比值變化曲線

由圖6可知隨著罩口徑與裝藥外接圓柱直徑比值的增大，EFP成型速度雖然略有降低，但下降幅度不大。由圖7可知，隨著罩口徑與裝藥外接圓柱直徑比值的加大，長(zhǎng)徑比略增加，但幅度也不明顯，說明飛行中藥型罩受到徑向擠壓和軸向拉伸幅度變化不大。所以調(diào)整藥型罩口徑參數(shù)對(duì)MEFP成型影響不大。

2.2 罩厚度與裝藥外接圓柱直徑比值對(duì)周向MEFP裝藥成型影響

在研究罩厚度h與裝藥外接圓柱直徑D比值對(duì)周向MEFP成型影響時(shí)，設(shè)計(jì)的仿真方案數(shù)據(jù)如下:藥型罩的曲率半徑為40 mm，藥型罩的口徑為29.4 mm，罩厚度與裝藥外接圓柱直徑比值分別為0.023 8、0.026 8、0.029 8、0.032 7 和 0.035 7，周向MEFP成型速度V及長(zhǎng)徑比隨h/D變化曲線如圖8和圖9所示。

圖8 EFP成型速度隨h/D比值變化曲線

圖9 長(zhǎng)徑比隨h/D比值變化曲線

由圖8可看出:h/D值越大，EFP成型速度越慢，而且變化明顯。這主要因?yàn)殡S著厚度的增大，藥型罩承受爆轟波的能力增強(qiáng)，藥型罩的質(zhì)量也隨之增大所致。圖9的曲線顯示隨著罩厚度與裝藥外接圓柱直徑比值的增大，成型過程中徑向擠壓和軸向拉伸的幅度也降低，最終EFP的長(zhǎng)徑比也明顯下降。

2.3 藥型罩曲率半徑與裝藥外接圓柱直徑比值對(duì)周向MEFP裝藥成型影響

在研究罩曲率半徑與裝藥外接圓柱直徑比值對(duì)周向MEFP成型影響時(shí)，設(shè)計(jì)的仿真方案數(shù)據(jù)如下:藥型罩的厚度為3 mm，藥型罩的口徑為32 mm，藥型罩曲率半徑r與裝藥外接圓柱直徑D比值分別為0.347 8、0.391 3、0.434 8、0.478 3 和 0.521 7，周向MEFP的成型速度V及長(zhǎng)徑比隨罩r/D比值變化曲線如圖10和圖11所示。

圖10 EFP成型速度隨r/D比值變化曲線

圖11 EFP長(zhǎng)徑比隨r/D比值變化曲線

由圖10可知，r/D比值的增大，對(duì)EFP成型速度影響不大。圖11顯示隨著r/D比值的增大，EFP的長(zhǎng)徑比明顯減小，說明藥型罩受到徑向擠壓力增大，而軸向拉伸幅度變化不大，從而使長(zhǎng)徑比降低。

3 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)周向MEFP成型影響

3.1 殼體壁厚對(duì)周向MEFP成型影響

周向MEFP戰(zhàn)斗部殼體壁厚對(duì)周向MEFP成型影響的仿真方案如下，裝藥外接圓柱直徑92 mm，藥型罩的口徑32 mm，藥型罩厚度3 mm，藥型罩曲率半徑36 mm，殼體壁厚分別選取2 mm、3 mm、4 mm和5 mm，仿真結(jié)果如圖12和圖13所示。

圖12 EFP成型速度隨殼體壁厚變化曲線

由圖12和圖13可看出殼體越厚，EFP成型速度越快，EFP的長(zhǎng)徑比也隨之增加且增幅明顯。這是由于殼體厚度增大，將引起藥型罩變形過程中各微元向軸線并攏的速度加大。

圖13 EFP長(zhǎng)徑比隨殼體厚度變化曲線

3.2 周向藥型罩分布數(shù)量對(duì)周向MEFP成型影響

在研究周向分布數(shù)量對(duì)周向MEFP成型影響時(shí)，炸藥選取B炸藥，裝藥外接圓柱直徑92 mm，藥型罩的口徑27.6 mm，藥型罩厚度3 mm，藥型罩曲率半徑40 mm，殼體壁厚3 mm，周向MEFP戰(zhàn)斗部側(cè)面每層藥型罩分布數(shù)量依次為8個(gè)、9個(gè)和10個(gè)，仿真結(jié)果如圖14和15所示。

圖14 EFP成型速度隨周向數(shù)量變化曲線

圖15 EFP長(zhǎng)徑比隨周向數(shù)量變化曲線

由圖14和圖15可知，在藥量一定的情況下，隨著周向藥型罩分布數(shù)量的增加，EFP的成型速度及長(zhǎng)徑比都降低，但幅度很小。

3.3 兩種不同炸藥對(duì)周向MEFP成型影響

仿真方案為裝藥外接圓柱直徑92 mm，藥型罩的口徑32 mm，藥型罩厚度2.5 mm，藥型罩曲率半徑36 mm，殼體壁厚3 mm，徑向4層藥型罩，每層分布8個(gè)藥型罩，炸藥分別選取B炸藥和OCTOL炸藥，仿真結(jié)果如表3。

表3 選用兩種炸藥的EFP成型數(shù)據(jù)

因?yàn)镺CTOL炸藥的能量密度大于B炸藥，所以形成EFP成型速度也會(huì)更快一些，長(zhǎng)徑比也相應(yīng)增大。

4 結(jié)論

1)在不考慮端面稀疏波影響的前提下，文中設(shè)計(jì)的周向MEFP簡(jiǎn)化仿真模型與全模型仿真模型的EFP成型形狀一致，速度接近，可以代替全模型仿真模型進(jìn)行周向MEFP成型規(guī)律的研究。

2)在裝藥結(jié)構(gòu)一定的情況下，調(diào)整藥型罩的口徑和厚度可調(diào)整EFP的動(dòng)能，調(diào)整藥型罩的曲率半徑可調(diào)整EFP長(zhǎng)徑比。

3)隨著殼體厚度的增加，EFP成型速度小幅加快，長(zhǎng)徑比增幅比較明顯;周向藥型罩?jǐn)?shù)量的分布對(duì)EFP成型速度和長(zhǎng)徑比的影響均很小;高能炸藥會(huì)使EFP成型速度和長(zhǎng)徑比均增加，其中長(zhǎng)徑比增幅較明顯。

以上結(jié)果可為周向MEFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

［1］孔毓琦，郭銳.MEFP式戰(zhàn)斗部正交試驗(yàn)優(yōu)化［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2013(1):22－26.

［2］陳宇，曹紅松，王智軍，等.一種新型防空MEFP的設(shè)計(jì)與仿真［J］.現(xiàn)代防御技術(shù)，2013，41(2):201－206.

［3］吳峰，吳峰，孔毓琦，等.MEFP式戰(zhàn)斗部侵徹鋼靶的毀傷效應(yīng)研究［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2013(2):87－90.

［4］Cox M，Campbell A W.Corner-turning in TATB［C］∥Seventh Symposium(International)on Detonation.Dahlgren:Office of Naval Research，1981:624－633.

［5］張利，彭雪琴.周向多爆炸成型彈丸戰(zhàn)斗部仿真［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2014(9):32－35.

［6］王樹有，蔣建偉，門建兵.準(zhǔn)球形EFP成型影響因素的數(shù)值模擬［J］.含能材料，2008，16(6):731－733.

［7］Joseph Carleone.Tactical Missle Warheads［M］.1993.